西門子S7-1500系統(tǒng)在電石爐中的應(yīng)用

劉凌夫

（大連重工機(jī)電設(shè)備成套有限公司 工程技術(shù)設(shè)計院，遼寧大連，116013）

0 引言

電石化學(xué)名稱為碳化鈣，作為重要的基礎(chǔ)化工原料，在保障國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展、滿足相關(guān)行業(yè)需求的方面發(fā)揮著重要的作用。近年來，我國電石行業(yè)保持較快增長，產(chǎn)能產(chǎn)量屢創(chuàng)新高，技術(shù)裝備水平持續(xù)提升。電石爐自動化控制系統(tǒng)廣泛使用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器。西門子新一代的S7-1500 PLC，憑借其更高性能和更高性價比，正快速代替S7-300/S7-400 PLC。S7-1500系統(tǒng)已成為電石爐冶煉新的重要的控制系統(tǒng)。

1 S7-1500系統(tǒng)概述

■1.1 系統(tǒng)簡介

S7-1500是西門子新一代的PLC，其系統(tǒng)是在S7-300/400的基礎(chǔ)上開發(fā)的自動化系統(tǒng)。S7-1500系統(tǒng)性能卓越且應(yīng)用靈活，滿足系統(tǒng)高復(fù)雜性和高性能要求，適用于中高端設(shè)備和中大型工廠工程的各種控制應(yīng)用。系統(tǒng)組態(tài)可擴(kuò)展，現(xiàn)場可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件對PLC進(jìn)行調(diào)整。

■1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-1500系統(tǒng)主要由CPU模塊、電源模塊、信號模塊、通信模塊、工藝模塊、分布式I/O系統(tǒng)ET200MP、交換機(jī)和工控機(jī)組成，各種模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上。ET200MP主要包括接口模塊、信號模塊、通信模塊和工藝模塊，通過接口模塊上的PROFINET或PROFIBUS與CPU進(jìn)行通信。每臺工控機(jī)上配置以太網(wǎng)卡，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與S7-1500PLC進(jìn)行通信。

■1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

S7-1500系統(tǒng)性能卓越，CPU位處理速度最快達(dá)1ns，背板總線達(dá)到百兆級，PROFINET數(shù)據(jù)刷新最快達(dá)125μs。系統(tǒng)診斷可靠，可在現(xiàn)場快速定位錯誤，發(fā)生故障時無需編程就可通過編程軟件等途徑快速實現(xiàn)通道級診斷。系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)秀，CPU自帶面板支持診斷和初始調(diào)試，每個機(jī)架可擴(kuò)展多達(dá)30個模塊[1]。系統(tǒng)工程組態(tài)高效，具有統(tǒng)一的編程調(diào)試平臺，支持多種編程語言和高級語言算法，程序通用，拓展性強(qiáng)。系統(tǒng)還集成工藝功能、安全功能和保密功能。

2 電爐主要設(shè)備與工藝簡介

電石生產(chǎn)主要是將優(yōu)質(zhì)的塊狀蘭炭（或焦炭）和塊狀生石灰等原料，混合后送入電石爐內(nèi)，依靠電極電弧放電所產(chǎn)生的高溫反應(yīng)生成電石。電石爐主要由爐體、爐蓋、電極系統(tǒng)、短網(wǎng)系統(tǒng)、煙道、爐頂加料系統(tǒng)、爐頂環(huán)形加料機(jī)、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、爐底風(fēng)冷裝置、爐前排煙系統(tǒng)、爐前設(shè)備和電爐變壓器組成。爐頂環(huán)形加料機(jī)將原料加入每一個爐頂料倉內(nèi)，原料通過料管溜入爐內(nèi)。電爐變壓器通過二次母線系統(tǒng)與電爐形成低壓回路，從而提供電爐冶煉所需電能。爐蓋用于密封爐膛，收集爐氣。煙道將爐氣送入爐氣凈化系統(tǒng)或直接排空。液壓系統(tǒng)為電極升降、壓放和把持器等液壓執(zhí)行器提供動力。水冷系統(tǒng)用于高溫條件下工作的爐蓋、電極柱、短網(wǎng)、煙道和電爐變壓器等設(shè)備進(jìn)行冷卻。爐底風(fēng)冷裝置用于降低爐底溫度，提高爐殼和爐襯的使用壽命。爐前排煙系統(tǒng)用于出電石時對出爐口煙氣進(jìn)行收集和輸送。爐前設(shè)備主要由開堵眼機(jī)、爐前擋屏、燒穿母線及燒穿器、電石出爐小車和卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)組成。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)電石爐工藝控制需求，整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按功能分為三層，從上至下分別為監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場層?，F(xiàn)場層主要設(shè)備是分布式I/O從站，從站基本配置包括通訊接口模塊、各種I/O信號模塊、通訊模塊和功能模塊?，F(xiàn)場層采集車間各層設(shè)備儀表數(shù)據(jù)并上傳至控制層，接收控制層指令控制各層電機(jī)和閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂茖又饕O(shè)備是電爐主站的中央控制器，是實現(xiàn)電爐控制的關(guān)鍵。控制層是監(jiān)控層與現(xiàn)場層之間的樞紐，與監(jiān)控層通信并接收監(jiān)控層的命令，對現(xiàn)場層設(shè)備進(jìn)行控制。監(jiān)控層主要由操作員站、工程師站和打印機(jī)組成。操作員站采集監(jiān)視生產(chǎn)數(shù)據(jù)，控制設(shè)備運(yùn)行，具有故障報警、數(shù)據(jù)歸檔、報表生成等功能。工程師站主要用于軟件組態(tài)編程、下載調(diào)試和系統(tǒng)診斷。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 系統(tǒng)硬件配置

電石爐S7-1500系統(tǒng)CPU選用1515-2PN標(biāo)準(zhǔn)型CPU。電源模塊可選擇24VDC系統(tǒng)電源PS或/和24V負(fù)載電源PM。系統(tǒng)電源連接到背板總線并專門為背板總線提供內(nèi)部所需的系統(tǒng)電源。負(fù)載電源為CPU、系統(tǒng)電源、信號模塊、接口模塊等提供DC 24V電源。分布式I/O系統(tǒng)選用ET200MP，CPU中央機(jī)架和分布式I/O系統(tǒng)中的信號模塊包括32×24VDC高性能型數(shù)字量輸入模塊、32×24VDC高性能型數(shù)字量輸出模塊、8×U/I/RTD/TC標(biāo)準(zhǔn)型模擬量輸入模塊、8×U/I高速型模擬量輸出模塊。各類信號模塊均使用相同的螺釘型40針35mm模塊前連接器。通信模塊選用PtP RS422/485高性能型通訊模塊。接口模塊選用155-5PN標(biāo)準(zhǔn)型接口模塊。CPU中央機(jī)架和分布式I/O系統(tǒng)的機(jī)架均使用482mm安裝導(dǎo)軌。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■5.1 PLC編程

使用西門子TIA博途STEP 7專業(yè)版組態(tài)軟件編寫電石爐S7-1500系統(tǒng)PLC程序，PLC編程主要包括硬件組態(tài)和程序編寫。

5.1.1 硬件組態(tài)

博途STEP 7組態(tài)軟件中新建項目，添加電石 爐1515-2PN CPU，組態(tài)PROFINET接口的以太網(wǎng)地址及其它CPU參數(shù)。在中央機(jī)架CPU右側(cè)添加信號模塊和通信模塊。信號模塊設(shè)定信號模塊的I/O地址、模塊通道測量類型和范圍等參數(shù)。通信模塊設(shè)定RS422/485接口的I/O地址、操作模式和端口參數(shù)等其它參數(shù)。中央機(jī)架硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 中央機(jī)架硬件組態(tài)

在網(wǎng)絡(luò)視圖界面中，將電石爐所有分布式I/O從站的155-5PN ST接口模塊添加到PN/IE子網(wǎng)中。返回設(shè)備視圖，對每個分布式I/O從站添加信號模塊并組態(tài)。程序硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖

5.1.2 程序編寫

電石爐PLC編程語言主要使用梯形圖LAD，個別程序段使用語句表STL。程序主要由組織塊OB、功能塊FB、功能FC、數(shù)據(jù)塊DB、系統(tǒng)功能塊SFB和系統(tǒng)功能SFC組成。組織塊包括主程序掃描組織塊OB1、啟動組織塊OB100和各類中斷組織塊。電石爐程序復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化編程[2]方式，將電石爐控制任務(wù)按電爐工藝流程或設(shè)備劃分為多個較小的子任務(wù)，這些子任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)編寫在功能塊、功能和共享數(shù)據(jù)塊中。同類多個設(shè)備的控制，使用功能塊的多重實例。在該類設(shè)備功能塊或功能中通過一個功能塊控制多個相同設(shè)備，每個設(shè)備的數(shù)據(jù)保存在一個或多個背景數(shù)據(jù)塊中。除了自己編程外，使用CPU提供的可在用戶程序中調(diào)用的預(yù)編程系統(tǒng)功能塊和功能。

電石爐程序主要功能包括電極位置自動調(diào)節(jié)、電極消耗補(bǔ)充、自動連續(xù)配上料、料倉刮板伸縮、料倉缺料堵料檢測、電爐變壓器檔位升降、爐氣壓力自動調(diào)節(jié)、電極加熱、爐底冷卻、液壓系統(tǒng)設(shè)備啟停、各種生產(chǎn)操作和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、與除塵系統(tǒng)等其它工段通信交換數(shù)據(jù)等。

■5.2 上位機(jī)軟件組態(tài)

圖5 配上料系統(tǒng)畫面

使用西門子WinCC V7.2或更高版本組態(tài)軟件進(jìn)行電石爐S7-1500系統(tǒng)上位機(jī)軟件組態(tài)，軟件組態(tài)主要內(nèi)容包括通信與變量組態(tài)、畫面組態(tài)、過程值歸檔組態(tài)、報警組態(tài)和報表組態(tài)。

WinCC與S7-1500 PLC之間使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行以太網(wǎng)通信。在工控機(jī)控制面板“設(shè)置PG/PC接口”選項界面中，添加一個“CP-TCPIP”訪問點(diǎn)并為其分配使用TCPIP協(xié)議的普通以太網(wǎng)卡。在WinCC變量管理中，添加驅(qū)動程序“SIMATIC S7-1200,S7-1500 Channel”。在通道單元“OMS+”中建立一個電石爐連接，設(shè)置IP地址、訪問點(diǎn)、產(chǎn)品系列連接參數(shù)。電石爐WinCC項目變量數(shù)量較多，為方便變量的查找，將變量按設(shè)備分組。在WinCC用戶管理器中為用戶分配WinCC功能的訪問權(quán)限，用戶需在起始畫面登錄后再進(jìn)入操作畫面，確保電爐生產(chǎn)操作安全可靠。電石爐操作畫面包括電爐主畫面、配上料系統(tǒng)畫面、水分配器畫面、歷史趨勢畫面和報警信息畫面等。用戶使用操作畫面菜單欄上的按鈕，可將當(dāng)前操作畫面切換至其它畫面。操作畫面實時顯示工藝流程、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、儀表參數(shù)、冶煉數(shù)據(jù)歷史變化趨勢等信息。用戶通過操作畫面可設(shè)置系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行。電爐主畫面、配上料系統(tǒng)畫面和水分配器畫面如圖4~圖6所示。使用WinCC過程值歸檔功能采集和歸檔電石爐冶煉的過程數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)在歸檔數(shù)據(jù)庫中保存1個月，為 WinCC項目的趨勢和報表提供歷史數(shù)據(jù)。使用WinCC消息系統(tǒng)功能，在報警記錄界面中實時顯示系統(tǒng)設(shè)備的報警和故障等信息，并將這些信息歸檔。使用WinCC DataMonitor選件，定時以Microsoft Excel文件形式生成并發(fā)布電爐冶煉歷史數(shù)據(jù)報表。

圖4 電爐主畫面

圖6 水分配器畫面

6 結(jié)語

本文通過建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、配置系統(tǒng)硬件、編寫PLC程序和組態(tài)上位機(jī)軟件，詳細(xì)闡述了西門子S7-1500系統(tǒng)在電石爐中的應(yīng)用?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為電石爐連續(xù)冶煉提供了保障。該系統(tǒng)憑借優(yōu)越的性能，強(qiáng)大的可操作性，提升了電石爐控制系統(tǒng)的自動化程度，減少了現(xiàn)場工人的數(shù)量和勞動量，降低了企業(yè)的人力成本，最大限度釋放了機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。